系统总体架构设计

好，咱们开始聊系统架构。说实话，很多初学者一上来就急着写代码、焊电路板，结果做到一半发现各个模块连不起来——这种坑我踩过不止一次。所以这一章，咱们先把骨架搭好。

药盒安全用药检测与异常报警系统，说白了就是一套「感知-决策-执行-通知」的闭环。我习惯把整个系统拆成三块来看：硬件怎么搭、软件怎么跑、数据怎么流。咱们一个一个说。

硬件架构

硬件是系统的地基。地基不稳，上层再漂亮也没用。我个人习惯先画一张硬件框图，把每个模块的角色定清楚。

主控MCU

这是整个系统的大脑。我推荐用ESP32系列，原因有三：

• 自带Wi-Fi和蓝牙，省掉一个通信模块
• 双核处理器，一个核跑传感器采集，一个核跑通信协议
• 价格便宜，开发资料多，社区活跃

嗯，这里要注意：ESP32的ADC有非线性问题。我在项目里吃过这个亏——采集到的药盒重量数据跳来跳去，后来加了软件滤波才搞定。

传感器模块

药盒需要感知什么？我总结了三类：

1. 药盒状态传感器：霍尔传感器或微动开关，检测药盒盖子是否打开
2. 用药检测传感器：称重传感器（HX711+压力传感器），检测药片是否被取出
3. 环境传感器：DHT22温湿度传感器，监测药品存储环境是否超标

执行器模块

执行器负责「动手」。我一般配置：

• 蜂鸣器：异常时发出警报声，分贝值建议在85dB以上
• LED指示灯：绿色表示正常，红色表示异常，黄色表示待处理
• 振动马达：给老人或视障用户提供触觉反馈

通信模块

ESP32自带Wi-Fi，所以通信模块基本就是它了。但如果你用STM32或其他MCU，就需要外接ESP8266或4G模块。我个人建议：

• 家庭场景：Wi-Fi + MQTT
• 户外/无Wi-Fi场景：4G Cat.1模块 + MQTT over TCP

软件架构

软件架构我分成三层：嵌入式端、云端、移动端。每一层各司其职，互不干扰。

嵌入式端（MCU固件）

这一层跑在ESP32上。我习惯用FreeRTOS做任务调度，把系统拆成几个独立任务：

// 伪代码示意
Task1: 传感器采集任务（每500ms执行一次）
Task2: 用药逻辑判断任务（事件触发）
Task3: MQTT通信任务（每2秒上报一次）
Task4: 异常报警任务（优先级最高）

为什么要用RTOS？说白了，如果不用操作系统，你写个while(1)大循环，传感器采集时通信卡住，通信时报警延迟——这种问题我调试过整整两天。

云端（后端服务）

云端我推荐用Python Flask或FastAPI搭一个轻量服务。主要做三件事：

• 接收MQTT消息，解析用药数据
• 存储到数据库（MySQL或SQLite都行）
• 分析异常规则，触发报警推送

移动端（App/小程序）

移动端我用Flutter开发，跨平台省事。主要功能：

• 查看用药记录（谁、什么时间、吃了什么药）
• 接收报警推送（漏服、多服、环境异常）
• 远程设置参数（用药提醒时间、报警阈值）

数据流设计

数据怎么流？我画了一条线：从药盒到手机，中间经过云端。咱们一步步拆。

第一步：用药数据采集

传感器采集原始数据。比如称重传感器输出的是电压值，经过HX711转换成数字量。我习惯在MCU端做一次预处理：

// 称重数据预处理
float raw_weight = hx711_read();
float filtered_weight = moving_average_filter(raw_weight, 5); // 滑动平均滤波
float actual_weight = filtered_weight - tare_weight;          // 去皮操作

第二步：数据上传

MCU通过MQTT把数据发到云端。数据格式我用JSON，简单明了：

{
  "device_id": "pillbox_001",
  "timestamp": 1700000000,
  "weight": 12.5,
  "temperature": 25.3,
  "humidity": 45.2,
  "lid_status": "open"
}

上传频率我设的是2秒一次。太频繁浪费流量，太慢又怕漏掉关键事件。

第三步：数据分析

云端收到数据后，做两件事：

1. 存储：写入数据库，保留历史记录
2. 规则判断：检查是否触发异常条件

举个例子，如果检测到药盒盖子打开后，重量没有变化——说明用户可能只是看了看，没吃药。这时候云端会标记一条「疑似漏服」记录。

第四步：异常报警

一旦触发异常，云端通过MQTT或HTTP推送通知到移动端。我设计了几种报警等级：

报警等级	触发条件	响应方式
一级（紧急）	多服/漏服超过2小时	蜂鸣器+App推送+短信
二级（警告）	环境温湿度超标	App推送+LED红灯
三级（提醒）	用药时间到	蜂鸣器短鸣+LED绿灯闪烁

通信协议设计

通信协议我选了MQTT和HTTP两种。为什么用两个？

MQTT：用于实时数据上报

MQTT是发布/订阅模式，非常适合物联网场景。我设计的话题（Topic）结构：

pillbox/{device_id}/data      // 传感器数据上报
pillbox/{device_id}/alarm     // 报警事件
pillbox/{device_id}/command   // 云端下发指令

MQTT的QoS我设成1（至少一次），保证数据不丢，但允许重复。为什么不用QoS 2？因为药盒数据重复一条没关系，但丢一条可能就漏了报警。

HTTP：用于配置和查询

HTTP用在非实时场景。比如：

• App查询历史用药记录
• 用户修改用药提醒时间
• 固件OTA升级

HTTP的优点是简单、调试方便。我习惯用RESTful风格，比如：

GET  /api/v1/records?device_id=001&date=2024-01-01
POST /api/v1/config
PUT  /api/v1/alarm/threshold

好了，系统架构就聊到这儿。你想想看，硬件、软件、数据、协议——这四个维度都理清楚了，后面写代码、焊电路才不会跑偏。下一章咱们开始动手搭建开发环境，到时候我会把工具链和调试技巧一并分享。